Косарев А.В., доктор технических наук

В числе вопросов стоящих перед аэродинамикой, среди прочих стоит вопрос об особенностях аэродинамики полёта майского жука, полёт которого вызывает вопросы. Например, майский жук способен поднимать и переносить в полёте груз на порядок превышающий его собственный вес. В рамках современной аэродинамики Жуковского — Кута это не находит объяснения. [6]. Согласно законам аэродинамики для полёта майского жука требуются мощности многократно превышающие реально наблюдаемые.

Перечислим некоторые особенности строения и полёта майского жука.

1. Майский жук как и все жёсткокрылые насекомые имеет жёсткие надкрылки, постоянно раскрытые во время полёта.

2. Под жёсткими надкрылками располагаются крылья. При этом количество взмахов крыльев при полёте составляет от 40-ка до 50-ти взмахов в секунду.

3. Киносъёмка демонстрирует практически вертикальный взлёт и посадку.

4. В туман или при влаге майские жуки не летают.

Обзор публикаций по теме показывает, что большинство авторов придерживаются гипотезы связывающей повышенную грузоподъёмность майского жука с экспериментально обнаруженным электростатическим зарядом жёстких надкрылков и крыльев. Но эта гипотеза не выдерживает критики по причине слабости электростатических сил, не способных обеспечить полёт. Электростатический заряд видимо связан с трением крыльев о воздух.

В [2] автор, делая попытку аэродинамического объяснения особенностям полёта майского жука, в тоже время отмечает противоречие между современной аэродинамикой и фактами свойственными полёту майского жука. “По законам современной физики и аэродинамики майский жук летать не должен. Площадь крыла слишком мала по отношению к массе тела самого насекомого. Для того чтобы летать, майский жук при средней массе 9 г должен иметь коэффициент подъемной силы от 2 до 3. Фактически же у этого насекомого коэффициент подъемной силы меньше единицы! Полет майского жука был темой специального исследования. Вот к какому выводу пришел руководитель этих изысканий, американский ученый Леон Беннет: «Если мы сумеем определить аэродинамику полета майского жука, мы или обнаружим какое-то несовершенство современной теории полета насекомого, или откроем, что майский жук обладает каким-то неизвестным нам способом создания высокой подъемной силы»”.

В свих выводах автор [2] опирается на экспериментальные исследования Володько Ю.И. по ламинарному истечению сжатого воздуха в атмосферу через щелевые сопла. Володько Ю.И. установил, что энергия потока воздуха на выходе из щелевых сопел вдвое превышает энергию, затраченную в установке. “Д-р Ю.И. Володько считает, что возникающая дополнительная энергия берется из окружающей среды. Подобный эффект наблюдается при полете жука. При движении крыла жука вниз создается подъемная сила и дополнительно к ней, благодаря некоторому повороту крыла, создается также сила тяги (толкающая сила). При этом также происходит засасывание воздуха в пространство между надкрыльем и крылом. В нижней мертвой точке крыло жука разворачивается и меняет угол атаки. Теперь при движении вверх крыло вытесняет воздух из пространства под надкрыльем. Причем получающаяся струя воздуха создает одновременно и подъемную силу, и силу тяги, так как эта струя направлена под углом вниз и назад. Таким образом, получается, что майский жук объединил машущий и реактивный полет”.

Из последнего абзаца видно, что автор [2] объединяет “машущий и реактивный полет”, а это не противоречит современной аэродинамике. В тоже время ни Володько Ю.И., ни Константинов С.И. не объясняют механизмов извлечения дополнительной энергии из окружающей среды.

Цель настоящей работы показать, что эффект повышенной грузоподъёмности майского жука связан с распределением Максвелла по скоростям и с особенностями морфологии жёсткокрылых насекомых.

1. Теоретическое обоснование.

Прежде чем высказаться об особенностях аэродинамики полёта майского жука, рассмотрим распределение максвелла по скоростям и энергиям в интересующем нас плане. Функция распределения имеет следующий аналитический вид [1, 7]:

(1)

где: n — количество частиц газа в единице объёма, T — температура газа в состоянии равновесия, k — постоянная Больцмана, m — масса частиц газа, v — скорость частиц газа, dn — число частиц, скорости которых лежат в интервале от v до v + dv.

Функция распределения определяет долю молекул единицы объёма газа, скорости которых заключены в интервале скоростей, равном единице, включающем данную скорость. Функция распределения нормируется на единицу.

(2)

Зависимость (2) даёт площадь под графиком функции равную единице. Это означает с одной стороны, что вероятность застать данную частицу во всем интервале значений скорости от 0 до ∞ равна единице, с другой площадь графика в интервале скоростей v + dv означает вероятность нахождения частицы в этом интервале или долю частиц системы находящихся в интервале заданных скоростей.

Рис. 1. График функции максвелловского распределения по скоростям частиц.

Рассмотрим график функции максвелловского распределения по скоростям частиц многомолекулярной системы, изображённый на рисунке — 1.

На графике υвер — наиболее вероятная скорость частиц системы, находящейся в равновесном состоянии при определённых параметрах; ˂ υ ˃ — средняя скорость частиц системы; ˂ υ_кв ˃ — среднеквадратичная скорость частиц системы.

Между этими скоростями существует следующее соотношение:

(3)

Температура термодинамической системы определяется как средняя кинетическая энергия частиц.

(4)

Где: k — постоянная Больцмана; T — температура в градусах Кельвина; m — масса частиц системы.

С повышением среднеквадратичной скорости частиц системы соответственно растёт температура. Запишем ещё одну важную для дальнейшего зависимость между давлением и температурой:

(5)

Где — давление; n – концентрация частиц газа; k – постоянная Больцмана; T – температура газа.

Выскажем идею определяющую особенность аэродинамики полёта майского жука.

Рассмотрим рисунки 2 и 3. На рисунке — 2 изображён майский жук в полёте. На рисунке — 3 изображена принципиальная аэродинамическая схема майского жука. На рисунке — 3 цифрами обозначены: 1 — жёсткие надкрылки; 2 — крылья.

Рис. 2. Майский жук в полёте.

Рис. 3. Аэродинамическая схема майского жука.

При полёте майский жук совершает до 50 взмахов в секунду (3000 в минуту). В результате в промежутке между жёсткими надкрылками и крыльями создаётся область разрежения. Под разрежением мы понимаем не снижение давления по отношению к окружающему пространству, а снижение концентрации частиц. В эту концентрационную область разрежения устремляются частицы из пространства, окружающего область разрежения. В область концентрационного разрежения влетают наиболее быстрые частицы со скоростями υ большими средней скорости частиц системы (атмосферы) ˂ υ ˃. Это приводит к увеличению среднеквадратичной скорости и соответственно температуры в области между жёсткими надкрылками и крыльями. В свою очередь рост температуры согласно (5) приводит к росту давления. По сторонам жёстких надкрылков возникает перепад давлений. Сверху поверхности надкрылков остаётся атмосферное давление, а снизу давление повысилось. Разность давлений по сторонам надкрылков помноженная на площадь надкрылков и даёт основную подъёмную силу при полёте майского жука. К ней добавляется подъёмная сила от взмахов крыльев. Но как установлено специалистами по аэродинамике подъёмной силы от взмахов крыльев недостаточно для полёта жука, не говоря уж о повышенной грузоподъёмности.

Крылья майских жуков не способны в полной мере обеспечить полёт. Их главная задача за счёт большой частоты взмахов обеспечить разрежение (пониженную концентрацию частиц воздуха) в области между жёсткими надкрылками и крыльями.

Выпишем аналитические зависимости для вычисления подъёмной силы при полёте майского жука, вытекающие из распределения Максвелла и морфологии майского жука.

Средняя скорость частиц в распределении Максвелла определяется из зависимости:

(6)

Эта скорость соответствует температуре атмосферы Та, которая при известной концентрации определяет атмосферное давление Ра.

Теперь определим среднюю скорость частиц влетающих в область разрежения между жёсткими подкрылками и крыльями:

(7)

Из (7) — получаем среднюю скорость частиц атмосферы, скорости которых на графике рисунка 1 лежат правее ˂ υ ˃. По средней скорости влетающих частиц из (3) находится среднеквадратичная скорость влетающих частиц. Среднеквадратичная скорость влетающих частиц определяет согласно (4) температуру влетающих частиц, которая будет выше температуры атмосферы. Влетающие частицы смешиваясь с частицами атмосферы в области концентрационного разрежения несколько повышают температуру в этой области в сравнении с температурой атмосферы Т_а и соответственно повышается давление в области между жёсткими надкрылками и крыльями. Возникает перепад давлений ΔР по сторонам жёстких надкрылков. Произведение перепада давлений на площадь жёстких надкрылков даёт подъёмную силу в аэродинамике майского жука, связанную с максвелловским распределением.

(8)

Во вводной части отмечено, что майские жуки не летают в туман. Это видимо связано с тем, что при тумане среда тяжёлая и становится препятствием для большой частоты взмахов крыльев. По этой причине не обеспечивается требуемое концентрационное разрежение под надкрылками и соответственно подъёмная сила.

Таким образом по нашим представлениям возможно создание физических состояний в ограниченном пространстве атмосферы, при которых возникают своеобразные условия для реализации демона максвелла. [1, 3, 4]. В область концентрационного разрежения влетают наиболее быстрые частицы из окружающей среды, внося дополнительную энергию, обеспечивающую повышенную грузоподъёмность жёсткокрылых насекомых в сравнении с аэродинамикой Жуковского — Кута.

2. Приложение к авиационной практике.

Аэродинамический эффект демона Максвелла, реализовавшийся природой в морфологии жёсткокрылых насекомых, применим ко всем видам авиационной техники. Интересно, что природа реализовала этот эффект на маломерных видах живых организмов, на насекомых. Это ограничение видимо связано с огромной частотой взмахов крыльев и прочностными свойствами.

Предложим некоторые технические решения, вытекающие из выше изложенного. На рисунке — 4 изображена принципиальная схема вертолёта с использованием особенностей аэродинамики жёсткокрылых насекомых. Поверх винта — 2 устанавливается жёсткий колпак -1, наподобие надкрылков майского жука. Это позволит сформировать зону концентрационного разрежения и обеспечить дополнительную грузоподъёмность притоком под колпак частиц высокой энергии. На рисунке — 5 изображена аналогичная схема для квадрокоптера.

Рис. 4. Вертолёт.

Рис. 5. Квадрокоптер.

Если перед пропеллерами самолётов поставить подобные устройства (колпаки), то это значительно повысит тяговые усилия пропеллерной авиации при тех же расходах топлива. Дополнительное тяговое усилие можно преобразовать или в увеличение скорости полёта или в увеличение грузоподъёмности. На схеме рисунка — 6: 1- колпак, закреплённый кронштейнами — 3 с корпусом — 4, 2 — пропеллер.

Рис. 6. Пропеллерный самолёт.

На рисунке — 7 представлена возможная схема для турбореактивного самолёта. Забор воздуха в турбореактивный двигатель, закреплённый, например, на корпусе — 2 самолёта, осуществляется с помощью патрубка — 1, соединённого с полостями крыльев. Нижняя часть крыльев имеет множество небольших отверстий, через которые воздух засасывается через полость крыльев в двигатель.

Рис. 7. Турбореактивный самолёт.

В этих условиях под крыльями формируются области концентрационного разрежения. Создаются условия реализации демона Максвелла и происходит перенос энергии окружающей среды в зону концентрационного разрежения. Это сопровождается как и у жёсткокрылых насекомых увеличением грузоподъёмности при том же расходе топлива.

3. Простейшая экспериментальная установка.

Для проверки реальности эффекта реализации демона Максвелла и получения исходных данных для инженерных оценок и расчётов необходимо проведение экспериментальной работы. Предлагается простейшая экспериментальная установка, которая по мнению автора может подтвердить жизнеспособность идеи. Схема экспериментальной установки изображена на рисунке — 8.

Рис. 8. Схема экспериментальной установки по проверке эффекта майского жука.

Установка состоит из вытяжного вентилятора. Вентилятор желательно подобрать с числом оборотов крыльчатки 3000 об/мин. Это соответствует числу взмахов крыльев майского жука. Перед крыльчаткой на всасе устанавливается колпак. Колпак крепится к корпусу вытяжного вентилятора с помощью креплений, состоящих из кронштейнов 1, резьбовых штанг -3 и гаек -2. Конструкция креплений позволяет изменять зазор между колпаком и крыльчаткой и изменять размеры зоны концентрационного разряжения. Для различных величин зазора производится замер температуры и давления в зоне концентрационного разряжения (область Б) и перед выпуклой частью колпака (область А). В процессе эксперимента выявляется величина зазора, дающего максимальный эффект при его возможном проявлении.

Заключение.

Особенности полёта майского жука связаны с другим направлением аэродинамики, опирающимся на распределение Максвелла. В совокупности с аэродинамикой Жуковского — Кута это открывает новые возможности перед авиацией. При неизменной затрате топлива в разы увеличивается грузоподъёмность. Возможна перспектива взлёта и посадки без взлётно — посадочных полос, что в совокупности увеличивает рентабельность авиаперевозок.

Требуется проведение серии экспериментов с целью получения исходных данных, подтверждающих теоретические посылки эффекта и для инженерных расчётов.

Литература.

1. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. — М.: “Наука”, 1976г., 480с.

2. Константинов С.И. Физика полётов майского жука и Гелиокоптер Володько. // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77- 6567, публ.26706, 28.09. 2020г.

3. Косарев А.В. Самоорганизация векторных потоков энергии при свободной конвекции. // Доклады 6 Российской научной конференции “Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах”, Саратов, 2003г., с. 38-41.

4. Косарев А.В. Макроскопические условия реализации демона Максвелла. // Материалы Всероссийской научно — технической конференции: “Современные проблемы математики и естествознания”. Нижний Новгород: Нижегородский научный и информационно-методический центр “Диалог”, 2008г., с. 14-16.

5. Косарев А.В. Особенности аэродинамики жёсткокрылых насекомых. // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. №2, 2024г. Издательство Казанского гос. тех. ун-та.

6. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. — М.: Наука, 1970г., 904с.

7. Морс Ф. Теплофизика. /Пер. с англ. Е.Б. Чудновской. — М.: Наука, 1968г. — 416с.

Эл. адрес автора для контактов: nikita kosarev@mail.ru